DE2436480C3

DE2436480C3 - Elektrischer Motor

Info

Publication number: DE2436480C3
Application number: DE2436480A
Authority: DE
Inventors: Cecil Frank Clifford; Laurence Harry Finlayson
Original assignee: HORSTMANN CLIFFORD MAGNETICS Ltd BATH SOMERSET (VER KOENIGREICH)
Current assignee: HORSTMANN CLIFFORD MAGNETICS Ltd BATH SOMERSET (VER KOENIGREICH)
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1974-07-29
Publication date: 1980-08-14
Also published as: JPS5088513A; US4056743A; DE2436480A1; GB1467248A; DE2436480B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Motor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bekannte elektrische Motoren dieser Art verwenden häufig eine elektromagnetische Antriebseinrichtung, um das Schwingelement in Schwingung zu halten und dadurch dem Rotor eine kontinuierliche Drehung zu verleihen. Um zu gewährleisten, daß die Drehgeschwindigkeit des Rotors genau festgelegt und konstant ist, beispielsweise wenn der Motor als Uhrenantrieb verwendet wird, ist es wichtig, die elektrischen Antricbssignale bei einer konstanten, genau festgelegten Frequenz zu halten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Motors, bei dem durch eine geeignete Abstimmung der Frequenz der Antriebssignale für das Schwingelement zu dessen Resonanzfrequenz eine Optimierung des Wirkungsgrades des Schwingungsantriebes, sowie ein zuverlässiges Selbststarten zur Gewährleistung einer kontinuierlichen Rotation des Rotors erzielt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil eines elektrodynamischen Motors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 und 3 zeigen in ähnlichen schematischen Teildarstellungen zwei weitere Ausführungsformen eines elektrischen Motors gemäß der Erfindung;

Fig.4 zeigt in schematischer Darstellung einen in Resonanz schwingenden piezoelektrischen Motor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Einander entsprechende Teile der dargestellten Ausführungsformen sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In F i g. 1 sind, wie in den übrigen· Figuren, nur die Grundbestandteile des Motors gemäß der Erfindung dargestellt. Ein als Biegebalken befestigtes Schwingelement 1 in Form eines federnden Metallstreifens ist an einem Ende eingespannt und wirkt an seinem freien Ende mit einem Rotor 2 zusammen, der auf einer Welle 3 befestigt ist. Der Rotor 2 wird stabilisiert durch eine Stabilisierungsscheibe 3', die in an sich bekannter Weise auf der Welle lose gelagert ist

Der Rotor 2 dieser Ausführungsform ist von einem an sich bekannten Typ. Er hat auf einer oder beiden Stirnflächen eine in Umfangsrichtung verlaufende gewellte Magnetspur, die zwischen einer inneren und einer äußeren Schar von radialen Speichen gebildet wird, welche winkelmäßig gegeneinander versetzt sind, so daß die inneren Speichen mit den Lücken zwischen den äußeren Speichen ausgerichtet sind. Die die beiden Scharen von Speichen verbindenden Teile des Rotors stellen eine durchgehend umlaufende gewellte Magnetspur dar. Der Rotor selbst ist aus einem einzigen Stück aus ferromagnetischem Material hergestellt.

Das freie Ende des Schwingelementes 1 kann in Richtung senkrecht zur Welle des Rotors 2 schwingen. Ein L-förmiger Permanentmagnet 4 ist an diesem freien Ende so befestigt, daß sich der lange Schenkel parallel zur Welle 2 erstreckt und der in Umfangsrichtung verlaufenden geweilten Magnetspur der Rotorscheibe unter Bildung eines schmalen Luftspaltes gegenübersteht, so daß er mit diesem eine magnetische Kupplung bildet, wie sie bei magnetischen Hemmungen wohlbekannt ist Der andere Schenkel des Permanentmagneten 4 erstreckt sich senkrecht zur Rotorachse und liegt in der Achse der Antriebsspule 5. Diese Spub ist mit einem (nicht dargestellten) Antriebsstromkreis verbunden, der einen kristallgesteuerten Oszillator und einen Frequenzteiler umfaßt so daß die Antriebssignale eine exakt festgelegte Frequenz haben, die im wesentlichen gleich der natürlichen Schwingungsfrequenz des Schwingelementes 1 ist.

In der Nähe der Resonanzslelle hängt der Wirkungsgrad der Antriebsübertragung auf dus Schwingelement

Γι sehr stark von der angelegten Antriebsfrequenz f ab. Der Grund dafür ist der, daß sich bei Änderungen dieser Antriebsfrequenz auch der Phasenwinkel zwischen dem Strom und der Spannung ändert. Im Bereich der Resonanzstelle können sehr kleine Änderungen der

Antriebsfrequenz zu sehr großen Änderungen des Phasenwinkels zwischen +80° und -80° zur Folge haben. Es wurde experimentell gefunden, daß diese starken Schwankungen des Phasenwinkels und damit ein ungünstiger Wirkungsgrad besonders ausgeprägt im Bereich unmittelbar oberhalb der Resonanzfrequenz auftreten, während, wenn die Antriebsfrequenz kleiner als die natürliche Frequenz des Schwingelementes ist, ein optimaler Wirkungsgrad des Rotorantriebes gewährleistet werden kann. Insbesondere sollte die

Antriebsfrequenz um den Betrag ^j „ kleiner sein als die

natürliche Schwingungsfrequenz, wobei /"die Antriebsfrequenz und <?der Güte-Faktor des Schwingelementes ist. Durch eine derartige Optimierung des Wirkungsgrads des des Schwingungsantriebes ist es möglich, ein zuverlässiges Selbststarten und eine kontinuierliche Rotation des Rotors zu gewährleisten.

Der Gütefaktor ist der wie folgt definiert wird: Q=fo/(f\ — f2). Dabei sind /Ί, h diejenigen Frequenzen bo oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz k, bei denen die Schwingungsamplitude bei gegebener Antriebsspannung auf 1/v/2" der Amplitude bei Resonanz abgesunken ist. Die Differenz /ι — /j wird als die Bandbreite der Schwingung bezeichnet.

Beträgt beispielsweise die natürliche Eigenfrequenz des Schwingelementes /Ό = 66 Hz und hat das Schwingelement einen Gütefaktor Q= 16,5, so sollte die Antriebsfrequenz einen Wert von /"=64 Hz haben, die

man beispielsweise durch Aufteilung einer kristallgesteuerten Frequenz erhält

Wenn die von einem Quarzkristalloszillator abgeleiteten Signale der Antriebsspule 5 zugeführt werden, wird der Permanentmagnet 4 zusammen mit dem Schwingelement 1 in Schwingungen versetzt, wobei die Rotorscheibe mit dem einen Pol des Magneten 4 zusammenwirkt Über die gewellte, ringförmige Magnetspur auf dem Rotor bewirken diese Schwingungen ihrerseits eine kontinuierliche Drehung des Rotors 2. Da die die Rotor-Scheibe 2 antreibenden Schwingungen des Schwingelementes 1 durch einen Quarzkristalloszillator genau geregelt sind, ist die Drehgeschwindigkeit des Rotors 2 exakt festgelegt und bleibt konstant, so daß der Drehantrieb ideal für Zeitmeßwerke geeignet ist.

Fig.2 zeigt eine wahlweise Ausführungsform der Erfindung, bei der die Antriebsspule 5 Teil eines Elektromagneten ist, dessen Kern 6 mit einem Teil des Schwingelementes 1 zwischen dessen Leiden Enden zusammenwirkt. Das Schwingelement 1 ist in diesem Fall aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Federstahl oder einer Legierung, deren thermoelastischer Koeffizient Null ist. Die an die Antriebsspule 5 angelegten Antriebs-Signale, die direkt von einem Quarzkristalloszillator abgeleitet werden, wie in Zusammenhang mil F i g. 1 beschrieben, bewirken, daß mit den Antriebssignalen synchrone Schwingungen des Schwingelementes 1 erzeugt werden. In dieser Ausführungsform trägt das freie Ende des Schwingelementes 1 einen C-förmigen Permanentmagneten 4, dessen Polstücke einander mit parallelen Polflächen gegenüberstehen, die durch einen engen Spalt getrennt sind, durch den sich der Außenbereich des Rotors 2 bewegt. Der Spalt ist entsprechend der Mittellinie der ringförmigen gewellten Magnetspur auf dem Rotor 2 ausgerichtet.

F i g. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der das freie Ende des Schwingelementes 1 in Richtung parallel zur Drehachse des Rotors 2 schwingt. Der Rotor hat in diesem Fall an seinem Umfang einen gewellten Magnetflußpfad, der gebildet wird durch die Zwischenräume zwischen radialen Speichen 7, welche abwechselnd nach der einen und anderen Richtung aus einer zur Rotorachse senkrechten Ebene ausgebogen sind, die der Mittellage des Permanentmagneten 4 entspricht. Bei dieser Ausführungsform ist der Permanentmagnet 4 ähnlich Fig. 1 L-förmig, wobei sein vom Rotor 2 entferntes Ende mit einer Antriebsspule 5 zusammenwirkt.

Fig.4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schwingelement 1 ein einseitig eingespanntes Keramikelement vom Typ eines multimorphen Biegeelementes aufweist, das magnetisch an den Rotor 2 gekoppelt ist. Das multimorphe Biegeelement 1 wird in Biegeschwingung gehalten durch von einem Quarzkristall abgeleitete Antrtebssignale, die von einem kristallgesteuerten Oszillator 8 über einen Frequenzteiler 9, Verstärker 10 und Transformator 11 erhalten werden. Der Transformator liefert eine sinusförmige Antriebsspannung mit einer Amplitude von 24 Volt (von Spitze zu Spitze), die vnn einer 1,5 Volt Trockenzelle, die als Antriebsquelle für den Oszillator 8

ίο verwendet wird, abgeleitet ist Die Frequenz der dem Biegeelement zugeführten sinusförmigen Antriebsspannung ist die gleiche wie die natürliche Frequenz des Biegeelementes, oder geringfügig kleiner, wie oben ausgeführt.

Der Kristall, der die Frequenz des Oszillators 8 regelt, kann Quarz oder ein anderer geeigneter piezoelektrischer Kristall, wie z. B. Lithiumtantalat, sein.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der in F i g. 4 dargestellten Anordnung wird angenommen, daß

>o die natürliche Frequenz der Biegeschwingungen des keramischen multimorphen Schwingelementes 1 bei 128Hz liegt, mit einer natürlichen Schwankung von ±3 Hz auf Grund von Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen und der Alterung des Materials. Das

2■) System sollte einen ausreichend niedrigen Güte-Faktor haben, in diesem Fall gegeben durch 128/6 = 21,3, um zu gewährleisten, daß die Schwingungsamplitude bei dieser Frequenzschwankung nicht übermäßig abnimmt (d. h. nicht unter 70% der Resonanzamplitude).

jo Normalerweise wird das keramische Schwingelemenl 1 einen wesentlich höheren Güte-Faktor als vorstehend erwähnt haben, üblicherweise etwa 64, in dem Sinne einer optimalen Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Dies entspricht einer engen

j-, Bandbreite, üblicherweise ±2 Hz, für die Frequenzänderung bei Aufrechterhalten der Schwingung nahe der Resonanz. Durch geeignete Dimensionierung des am freien Ende des Schwingelementes 1 getragenen Permanentmagneten 4 und geeignete Wahl des

ίο Materials für den Rotor 2 können die magnetischen Verluste der Ankopplung zwischen dem Schwingelement 1 und dem Rotor 2 willkürlich eingestellt werden, wodurch gleichzeitig eine Einstellung des Dämpfungsgrades der Schwingungen und des gesamten Güte-Fak-

4-, tors des Systems erfolgt. Auf diesem Wege kann der Güte-Faktor des Systems auf den gewünschten Wert von 21,3 herabgesetzt werden, um die Aufrechterhaltung von Resonanzschwingungen des Biegeeleinentes 1 durch die frequenzkonstanten, vom Quarzkristall

ίο abgeleiteten Antriebssignale trotz Schwankungen der natürlichen Eigenfrequenz des Elementes 1 in der genannten Größenordnung zu gewährleisten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Motor mit einem mechanischen Schwingelement, das magnetisch mit einem Hemmrad zusammenwirkt, und mit einer Einrichtung zum Beaufschlagen des Schwingelementes mit Antriebssignalen mit einer Frequenz, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Schwingelementes, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb des Motors mit optimalem Wirkungsgrad d^;e Frequenz der Antriebssignale für das Schwingelement (1) um

-^Tj- kleiner ist als die Resonanzfrequenz des

Schwingelementes (1), wobei Q deren Gütefaktor des Schwingelementes (1) ist

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssignale frequenzmäßig heruntergeteilte Ausgangssignale eines von einem piezoelektrischen Kristall gesteuerten Oszillators (8) sind.